The structure and the test conditions influence to the abrasive wear

Ročník LV 5 Číslo 1, 2007

45

VLIV STRUKTURY A PODMÍNEK ZKOUŠKY NA

VELIKOST ABRAZIVNÍHO OPOTŘEBENÍ

J. Filípek, R. Březina

Došlo: 30. října 2006

Abstract

FILÍPEK, J., BŘEZINA, R.: The structure and the test conditions infl uence to the abrasive wear. Acta univ. agric. et silvic. Mendel. Brun., 2007, LV, No. 1, pp. 45–54

The paper concerns about the comparison of abrasive wear of testing samples made of various metal materials (steels, isothermally heat-treated cast iron with spheroidal graphite, weld deposit) during both laboratory and operational tests.

abrasive wear, steels, ADI cast iron, weld deposit, laboratory, operational tests

Životnost a spolehlivost řady strojních částí je značně ovlivněna abrazivním opotřebením. Zvláště intenzivně jsou opotřebovávány činné části strojů pro zpracování půdy, např. čepele plužních těles, botky secích strojů, rozhrnovací radlice sazečů brambor, nože rotačních kypřičů, plazy žacích adaptérů, vyorá-vací radlice, prsty obracečů a shrnovačů atd.

Opotřebení má za následek nejen nevratnou ztrátu materiálu, ale také zvyšování energetické náročnosti operací. Sedlák a Bauer (1998) zjistili, že průměrný měrný odpor pluhu u ostrých čepelí se pohybuje okolo 49,4 kPa, u tupých 58,8 kPa, což představuje nárůst o 19 %. Vezmeme-li v úvahu komplexní soubor ope-rací pro zpracování půdy od podmítky přes orbu až po mechanické ošetření porostu během vegetace, zjis-tíme, že celková obdělaná plocha v ČR představuje rozlohu větší než 23 mil. ha.

Správná volba materiálů, které mají odolávat opo-třebení, je jedním ze základních prvků bezporucho-vého a ekonomického provozu strojů. Zkušenosti z praxe ukazují, že existují určité závislosti odolnosti kovů proti opotřebení na mechanických vlastnostech (zejména tvrdosti) a struktuře materiálu. Březina, Filí-pek (2005) zjišťovali korelační vztah mezi abraziv-ním opotřebením v laboratorních i provozních pod-mínkách a mezi tvrdostí podle Vickerse. Hodnota korelačního koefi cientu R se pohybovala v rozsahu

0,659–0,901. Tenenbaum a Guterman (1960) konsta-tují, že nejnižší opotřebení v laboratorních podmín-kách dosáhli u strukturních kombinací austenit-kar-bidy, martenzit-karaustenit-kar-bidy, martenzit. Nejmenší odolnost vykazovaly struktury ferit-perlit, perlit-sorbit a jejich kombinace.

Pro prodloužení technického života exponova-ných částí strojů či pro jejich renovaci se v země -dělské praxi používá navařování. V součastné době nabízí trh celou řadu návarových materiálů z tuzem-ské i zahraniční produkce, např. EB 518, EB 519, OK 84.84, OK 84.78, HARD FRO 500, HARD FRO V-1000, HARDFACE HC-0, EutecTrode – XHD-6710, Ultimium 8811, WOKA Durit NiA a další. U návaro-vých materiálů byla v laboratorních podmínkách zjiš-těna výrazně vyšší odolnost proti abrazivnímu opo-třebení. Brožek (1996) uvádí na brusném plátně až 50krát větší odolnost proti opotřebení u návaru OK 84.84 vůči etalonu z oceli 12 014.20.

MATERIÁL A METODY

základní materiál návar návar

základní materiál

50 μm

a) ocel 11 373 b) Brinar 400

c) Hadfi eldova ocel d) ADI litina 880/250/2

e) CDP 4666 f) WOKA Durit NiA

Zkoušené materiály

Odolnost proti opotřebení byla testována na 16 dru-zích kovových materiálů, jejichž charakteristika a tvr-dost je uvedena v tab. I.

Soubor zkoušených materiálů je po strukturní stránce velmi pestrý. Na obr. 1 je znázorněna mikro-struktura vybraných materiálů:

a) ocel 11 373 – ferit s nízkým podílem perlitu

b) Brinar 400 – martenzit a zbytkový austenit c) Hadfi eldova ocel – legovaný austenit

d) ADI litina 880/250/2 – grafi t + dolní bainit a zbyt-kový austenit

e) CDP 4666 – ledeburit + karbidy chromu, niobu a další

f) WOKA Durit NiA – karbidy WC, W₂C v matrici na bázi niklu.

I: Charakteristika a tvrdost zkoušených materiálů

Označení materiálu Charakteristika Tvrdost_HV

ocel 11 373 nízkouhlíková feriticko-perlitická ocel 124

BRINAR 400

nízkolegované ocelové otěruvzdorné plechy

364

DILLIDUR 500 458

XAR 400 286

XAR 400 W 386

Hadfi eldova ocel austenitická manganová ocel na odlitky 214 ADI 880/200/2

izotermicky zušlechtěná litina s kuličkovým grafi tem

509

ADI 880/250/2 439

ADI 880/300/2 375

ADI 880/380/2 290

WOKA Durit NiA

návarové materiály odolné abrazivnímu opotřebení

702

HARDFACE HC-0 742

XHD-6710 876

Ultimium 8811 565

CDP 4666 754

Teromatec 4630 886

Laboratorní zkouška opotřebení

Laboratorní zkouška opotřebení na brusném plátně vychází z ČSN 01 5084 (Obr. 2). Zkušební vzorek je uchycen v držáku a je přitlačován závažím k brus-nému plátnu. Během zkoušky se horizontální kotouč s brusným plátnem otáčí, přitom se testované těleso posunuje od středu k okraji brusného plátna. Po sta-novené délce třecí dráhy koncový spínač stroj zastaví. Vzorky jsou očištěny a zvážením je stanoven hmot-nostní úbytek.

Podmínky laboratorní zkoušky:

- tvar zkušebního vzorku: hranol 10 × 10 × 10 mm - počet vzorků každého testovaného materiálu: 4 - porovnávací etalon: ocel 11 373 (S 235 JRG1) o

tvr-dosti 124 HV

- délka třecí dráhy: 50 m

- průměr otáčející se desky: 480 mm

- max. kluzná rychlost zkušebního tělesa: 0,5 m.s–1 - měrný tlak: 0,32 N.mm–2

- radiální posuv zkušebního tělesa: 3 mm.ot–1 - brusné plátno: korundové, zrnitost 120.

Provozní zkouška

Provozní orební zkouška probíhala přímo na pozemcích (Obr. 3a). Zkušební vzorky se připevní na exponované místo přechodu mezi čepelí a odhrnovač -kou u každého orebního tělesa pluhu (Obr. 3b). V prů -běhu orby jsou vzorky ve vymezených intervalech opakovaně demontovány, očištěny od zbytků zeminy a zváženy. Pozice vzorků na jednotlivých orebních tělesech se měnila podle předem stanoveného harmo-nogramu. Protože podmínky v průběhu orby nejsou konstantní, vždy se na jednom z orebních těles nachá-zel etalonový vzorek.

Podmínky provozní zkoušky:

- orební souprava: traktor JOHN DEERE 6620 + nesený čtyřradličný oboustranný pluh Kverneland ES 4r

- tvar zkušebního vzorku: hranol 80 × 40 × 8 mm s otvorem Ø 10 mm se zahloubením pro šroub se zapuštěnou kuželovou hlavou

- porovnávací etalon: ocel 11 373 (S 235 JRG1) o tvr-dosti 124 HV

- celková délka brázdy: 9 157 m

- půda: půdní druh dle Nováka písčitohlinitý, zrni-tostní třída – hlína.

2: Laboratorní zkouška opotřebení na brusném plátně

a) orební souprava b) orební těleso

3: Provozní zkouška orbou

zaĜízení pro radiální posuv

zaĜízení pro radiální posuv

vypínací zaĜízení

závaží

upínací hlavice

držák vzorku

brusné plátno

horizontální kotouþ

závaží

upínací hlavice

držák vzorku

brusné plátno

horizontální kotouþ

zkušební vzorek

rám stroje

F

v

plužní þepel odhrnovaþka

dláto zapuštČný

VÝSLEDKY A DISKUSE

Průměrný úbytek hmotnosti oceli 11 373 na brus-ném plátně na třecí dráze 50 m činil 0,254 g. Při orební zkoušce po zorání brázdy dlouhé 9 157 m se snížila hmotnost vzorku z téže oceli v průměru o 5,609 g. Tyto hodnoty opotřebení jsou považovány za 100 % (Obr. 4).

Hmotnostní úbytky všech testovaných materiálů

byly nižší než u etalonu, tj. nízkouhlíkové oceli 11 373. Obzvlášť vysokou odolnost proti opotřebení vykazo-valy návarové materiály na brusném plátně (až 25 × větší než etalon – Obr. 4a). Při orební zkoušce je mecha-nismus opotřebení odlišný od brusného plátna, působí zde velké měrné tlaky, které způsobují rýhování mate-riálu. Odolnost návarů proti opotřebení při orbě už tak výrazná není (max. 7 × vzhledem k etalonu – Obr. 4b).

a) relativní opotřebení na brusném plátně

b) relativní opotřebení při orební zkoušce

4: Abrazivní opotřebení zkušebních vzorků (etalon ocel 11 373)

0 20 40 60 80 100 120 oce

l 11

373

BRIN

AR 4

00 XAR 400 DILL IDUR XAR 400 W

ADI 8

80/3

80/2

Hadf

ieldo

va o

cel

ADI 8

80/2

50/2

ADI 8

80/3

00/2

ADI 8

80/2 00/2 Ultim ium 881 1 HARD FACE H C-O Tero mat

ec 46

30 XH D-6710 CDP 4666 WOK

A Du

rit N

iA opot ř ebení (%) etalon oceli ADI litiny návarové materiály 0 20 40 60 80 100 120

ocel 1 1 37

3

BRIN AR 4

00

DILL IDUR

XAR 400

ADI 8 80/2

50/2

ADI 8 80/3

80/2

XAR 400

W

ADI 8 80/3

00/2

ADI 8 80/2

00/2

Hadf ieldova

oce l HARD FACE H C-O XH D-6710 Ultim ium 8

811

WO KA D

urit NiA CDP 4666 Tero mat

5: Korelační závislost mezi tvrdostí a odolností proti opotřebení na brusném plátně

Struktura kovových testovaných materiálů je velmi rozdílná (Obr. 1), proto odolnost proti opotřebení jen částečně koresponduje s naměřenou tvrdostí. Korelační koefi cient, vyjadřující těsnost mezi tvrdostí HV a opo-třebením na brusném plátně, je R = 0,88 (Obr. 5, 6a). Na brusném plátně jsou podmínky abrazivního opo-třebení konstantní. Hmotnostní úbytky je proto možné udávat v absolutních jednotkách (mg/50 m). Názornější je však srovnání s vhodně zvoleným etalonem. ČSN 01 5084 stanovuje jako porovnávací etalon ocel 12 014.20 o tvrdosti 100 HV. V našem případě se jedná o ocel 11 373. U souboru porovnávaných materiálů hodnota korelačního koefi cientu R zůstává stejná, i kdybychom zvolili etalon jiný (např. Hadfi eldovu ocel apod). Při orební zkoušce má korelační závislost mezi tvrdostí a opotřebením nižší těsnost než při zkoušce na brusném plátně (R = 0,79, Obr. 6b).

Porovnáme-li vztah mezi opotřebením na brusném plátně a při orební zkoušce, pak korelační závislost je velmi těsná (R = 0,94, Obr. 7a). Na brusném plátně i při orbě byl použit stejný etalon (ocel 11 373), př e-sto je relativní opotřebení pro jednotlivé materiá-ly rozdílné. Ve většině případů je na brusném plátně relativní opotřebení menší než při orbě. Výjimkou je Hadfi eldova ocel a návar Ultimium 8811.

Hadfi eldova manganová austenitická ocel (ČSN 42 2760, Obr. 1c) může tvářením za studena

dosáh-nout podstatného zpevnění. Značné zvýšení tvrdosti se také přisuzuje přeměně metastabilního austenitu na martenzit v průběhu plastické deformace. Ocel proto vykazuje dobrou odolnost proti opotřebení jen při velkých měrných tlacích, které se vyskytují při orbě. Návar Ultimium 8811 obsahuje zrna karbidů wolf-ramu uložená v matrici bohaté na nikl. Houževnatá matrice napomáhá absorbovat nárazy, zatímco ostro-hranný tvar tvrdých karbidů zabraňuje jejich vylamo-vání. U obou materiálů je na brusném plátně relativní opotřebení větší než při orbě.

Zkouška na brusném plátně (ČSN 01 5084) obecně lépe odráží odolnost proti opotřebení v půdních pod-mínkách než pouhý údaj tvrdosti. Poměrná odolnost proti opotřebení φ u konkrétního materiálu však zá-visí na zvoleném etalonu (Obr. 7a, Tab. II). Např. pro ocel XAR 400 W je odolnost proti opotřebení na plátněφ₁ a při orběφ₂ vzhledem k etalonu oceli 11 373 téměř stejná (k = 0,98). Tzn., že z výsledků získa-ných na brusném plátně bychom docela přesně stano-vili odolnost proti opotřebení při orbě.

Rozhodneme-li se pro etalon z Hadfi eldovy oceli (Obr. 7b, Tab. II), je relativní odolnost proti opotřebení oceli XAR 400 W u obou zkoušek velmi rozdílná (φ₁ = 0,86, φ₂ = 0,60, k = 1,43). Kdybychom v tomto případě usuzovali na odolnost proti opotřebení z laboratorní zkoušky, dopustili bychom se značné nepřesnosti.

Vztah tvrdosti a opot

ř

ebení p

ř

i

zkoušce na brusném plátn

ě

BRINAR 400 ADI 880/200/2

Ultimium 8811 WOKA DuritNiA

HARDFACE HC-0 CDP 4666

XHD-6710 Teromatec 4630

ocel 11 373 ADI 880/300/2

DILLIDUR 500

Hadfieldova ocel

XAR 400 W ADI 880/250/2

ADI 880/380/2 _{XAR 400}

R = 0,901

0 200 400 600 800 1 000

0 50 100 150 200 250 300

hmotnostní úbytek při zkoušce na brusném plátně ( mg )

tvrdost (HV 10)

R = 0,88

etalon

oceli

ADI litiny

a) zkouška na brusném plátně

b) polní zkouška orbou

6: Vztah mezi tvrdostí a odolností proti opotřebení 0 20 40 60 80 100 120 ocel 11 3

73

BRIN AR 4

00

DILL IDUR

XAR 400

ADI 8 80/2

50/2

ADI 8 80/3

80/2

XAR 400

W

ADI 8 80/3

00/2

ADI 8 80/2

00/2

Hadf ieldo

va o cel HARD FACE H C-O XH D-6710 Ultim ium 881 1 WOK A Du

rit N iA

CDP 4666

Tero mat

ec 4 630 opot ř ebení (%) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

tvrdost HV 10

opotřebení tvrdost

R = 0,79

0 20 40 60 80 100 120 ocel 11 3

73

BRIN AR 4

00 XAR 400 DILL IDUR XAR 400 W

ADI 8 80/3

80/2

Hadf ieldo

va o cel

ADI 8 80/2

50/2

ADI 8 80/3

00/2

ADI 8 80/2

00/2

Ultim ium 8

811 HARD FACE H C-O Tero mat

ec 4 630 XH D-6710 CDP 4666 WOK A Du

rit N iA opot ř ebení (%) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

tvrdost HV 10

opotřebení tvrdost

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 ocel 11 3

73

BRIN AR 4

00 DILL

IDUR XAR

400

ADI 8 80/2

50/2

ADI 8 80/3

80/2 XAR

400 W

ADI 8 80/3

00/2

ADI 8 80/2

00/2

Hadf ieldo

va o cel HARD FACE H C-O XH D-6710 Ultim ium 8

811

WOK A Du

rit N iA

CDP 4666

Tero mat

ec 4 630 opot ř ebení (%) polní zkouška brusné plátno 0 50 100 150 200 250 300 ocel 11 3

73

BRIN AR 4

00

DILL IDUR

XAR 400

ADI 8 80/2

50/2

ADI 8 80/3

80/2

XAR 400

W

ADI 8 80/3

00/2

ADI 8 80/2

00/2

Hadf ieldo

va o cel HARD FACE H C-O XH D-6710 Ultim ium 8

811

WOK A Du

rit N iA

CDP 4666

Tero mat

ec 4 630 opot ř ebení (%) polní zkouška brusné plátno a) porovnávací etalon - ocel 11 373

b) porovnávací etalon – Hadfieldova ocel

7: Vliv volby etalonu na velikost relativního opotřebení

R = 0,94

R = 0,94

a) porovnávací etalon – ocel 11 373

b) porovnávací etalon – Hadfieldova ocel

II: Vliv volby etalonu na poměrnou odolnost proti abrazivnímu opotřebení

materiál etalon zkouška opotřebení poměr

na brusném plátně orbou

ocel

XAR 400

W ocel _{11 373} φ₁ = —— = —— = 1,67met 100 m_mat 59,8

m_et 100

φ₂ = —— = —— = 1,71 m_mat 58,4

φ₁ 1,67 k = —— = —— = 0,98

φ₂ 1,71

Hadfi eldova ocel

m_et 100

φ₁ = —— = ——– = 0,86 m_mat 116,8

m_et 100

φ₂ = —— = ——– = 0,60 m_mat 167,4

φ₁ 0,86 k = —— = —— = 1,43

φ₂ 0,60

SOUHRN

Pracovní orgány zemědělských strojů, které přicházejí do kontaktu s půdou, podléhají abrazivnímu opo-třebení. To vede nejen k nutnosti výměny či renovace strojní součásti, ale také ke zvýšení energetické náročnosti operací.

Otěruvzdornost kovových materiálů závisí na mechanických vlastnostech a struktuře materiálu. Veli-kost opotřebení v absolutních jednotkách (např. v gramech) je zpravidla velmi variabilní a závisí na podmínkách zkoušky. Proto se v praxi často používá termín relativní opotřebení, které je vztaženo ke zvolenému referenčnímu vzorku (etalonu).

Nejrozšířenější laboratorní zkouškou abrazivního opotřebení je zkouška na brusném plátně (ČSN 01 5084). Výsledky této zkoušky v globále velmi dobře korespondují s provozní orební zkouškou (kore-lační koefi cient R = 0,94). U konkrétního materiálu však těsnost shody závisí na volbě etalonu. Např. nízkolegovaná otěruvzdorná ocel XAR 400 W má vzhledem k oceli 11 373 téměř shodnou poměrnou odolnost proti opotřebení φ na brusném plátně i při orbě. V případě etalonu Hadfi eldova ocel je pomě r-ná odolnost proti opotřebení φ rozdílná. Pokud mechanicky aplikujeme výsledky z laboratorní zkoušky na provozní podmínky, dopustíme se značné chyby. Odolnost proti opotřebení oceli XAR 400 W bude při orbě 1,43krát menší, než odpovídá výsledku z brusného plátna.

abrazivní opotřebení, oceli, ADI litiny, návary, laboratorní, provozní zkoušky

LITERATURA

BROŽEK, M.: Vrstvy odolné proti opotřebení. Med-zinárodné sympózium „Kvalita a spoľahlivosť stro-jov“, Nitra, 1996, s. 126–129.

BŘEZINA, R.: Abrazivní opotřebení konstrukčních materiálů a návarů. Disertační práce, MZLU Brno 2005.

BŘEZINA, R., FILÍPEK, J.: Porovnání laborator-ních a provozlaborator-ních zkoušek abrazivního opotř ebe-ní. Medzinárodné vedecké sympózium „Kvalita

a spoľahlivosť technických systémov“, Nitra 2005, s. 110–114, ISBN 80-8069-518-0.

TENENBAUM, M. M., GUTERMAN, V. M.: Vlijanie ostatocnogo austenita na soprotivlenije cementiro-vanoj stali abrazivnomu iznašivaniju, Povyšenije iznosostojnosti i sroka mašin, Kyjev, 1960, s. 386– 395.

SEDLÁK, P., BAUER, F.: The effect of blunting of shares on energy reguirements of ploughing, Země -dělská technika, 44, 1998, s. 127–133.

Adresa